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电源晶片三星进军手机/平板/电子书电源IC各就各位

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电源设计已是行动装置产品差异化不容忽视的重要环节。面对智慧型手机、平板装置与电子书阅读器诱人的商机大饼,电源晶片业者也已积极展开部署,分别以高整合PMU或利基型独立电源方案抢进,期能搭上行动装置市场成长的顺风车。

年底耶诞假期即将来临,各种行动装置新产品也纷纷出笼,其中,又以智慧型手机、平板装置(TabletDevice)与电子书阅读器(E-reader)更是此波新品发表的重点,如宏达电最新的「欲望机」--DesireHD与DesireZ,三星(Samsung)7寸平板装置GalaxyTab,以及华硕9寸静思电子书阅读器TZ-900和明基新一代nReaderK61均是市场上最热门的话题焦点。

根据市场研究机构Gartner预估,2010年全球手机销售量将达十四亿支规模,较2009年增长14.8%。在各类型手机中,尤其以功能型手机销售量为最大宗,占整体销售量一半以上,达七亿多支,其次则为入门级手机,占总销售量约三成,智慧型手机则约二亿八千万支,占比在两成左右。该机构预测,2011年全球手机销售量将可突破十五亿支,然而,主要成长将来自智慧型手机产品,而入门级与功能型手机则呈现持平或些微下滑的情形(图1)。

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图1资料来源:Gartner(09/2010)

2007~2014年全球手机销售量分析

除智慧型手机外,后起之秀平板装置与电子书阅读器的成长也表现不俗。根据In-Stat研究显示,全球电子书阅读器的出货量将自2009年近五百万台,攀升至2010年的一千一百五十万台,成长两倍之多,2011年更将突破一千五百万台。与此同时,行动联网装置(MID)与平板装置的合计出货量,则可望于2010年达到一千三百七十万台,并于2014年达到五千八百万台规模。

显而易见的,未来几年手机仍将是最大的行动装置市场,而智慧型手机更将是业者的发展重点。至于平板装置与电子书阅读器的出货规模虽比不上手机,但未来成长力道不容小觑,不少业者也已鸭子划水展开产品研发,准备伺机而动,一旦需求大量涌现,即可顺势切入。

提升产品差异电源设计成胜出关键

随著愈来愈多业者竞逐行动装置产品市场,要在琳琅满目的产品中脱颖而出,除品牌光环外,产品本身的性能与使用者体验,亦是决胜的重要关键。根据In-Stat所做的一项消费者调查显示,有高达83%的受访者将行动装置的电池续航力视为首要要求,其次则为网际网路连线能力和较大萤幕(图2),足见行动装置电源管理设计的重要性。

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图2资料来源:In-Stat(02/2010)

消费者购买行动装置产品的主要考量排名

图3盛群半导体产品中心协理王钰钿表示,该公司将从单一电源方案切入行动装置市场,再逐步取代其他周边电源。

盛群半导体产品中心协理王钰钿(图3)表示,现今行动装置已日趋多样化,如手机、智慧型手机、iPad等平板装置、迷你笔电、个人媒体播放器(PMP)及MID等,几乎每种装置的电源管理需求都不同,不管是低压差稳压器(LDO)、直流对直流(DC-DC)的通道数目,或输出电压、电流负载或电源来源均大不相同,所以要开发出一款能满足大部分的行动装置所需的电源管理晶片已越来越难,必须针对不同的产品需求,订制出不同的电源管理晶片,才能满足产品的性价比。

此外,为降低电路板上周边元件如电感的体积,以满足手持式装置轻薄的设计要求,电源管理晶片的操作频率也日益升高,如此一来,也将使得电磁干扰(EMI)问题更加棘手。同时,散热的问题也不容忽视,尤其是在手机或平板装置等轻薄机构或无风扇的应用环境中,电源管理晶片效率一定要非常好,否则散热问题将导致许多不可预期的后果。

中低阶手机吹整合风电源晶片商有志难酬

对电源管晶片业者而言,手机市场每年高达十几亿支的出货规模,无疑是挹注营收最佳的来源。然而,要想在竞争激烈的手机市场取得一席之地,除了要有过人的研发设计能力,公司本身的营业规模与体质,以及与客户、合作夥伴间的关系,均是立足手机市场的必要条件。

在智慧型手机崛起后,手机市场的M型化发展已更形明显。以入门级手机而言,由于功能极度标准化,加上成本考量,因此基频处理器大多已整合电源管理功能,对独立型电源管理晶片供应商而言,几乎无用武之地,只能转战更高阶的功能型与智慧型手机市场。

然而,随著平价智慧型手机的问世,这股基频处理器整合电源管理功能的发展风潮,也已延烧至功能型手机市场。此从中国大陆山寨手机逐渐升级成智慧型功能手机的现象,即可窥见。

目前联发科在中国大陆正积极拓展智慧型功能手机市场,该市场系藉于功能型手机与智慧型手机之间,主要采用3G通讯技术及简易版Android作业系统,售价折合新台币约在8,000元左右,预期未来两年内成长速度将超越智慧型手机。

图4茂达电子技术行销部经理陈春全指出,PMU对提升智慧型手机效能与电源效率有显著效益。

茂达电子技术行销部经理陈春全(图4)指出,联发科针对功能型或智慧型功能手机所推出的解决方案,基本上已整合手机所需要的电源管理功能,包括发光二极体背光(LEDBacklight)、D类(ClassD)音频放大器、十二至十五组LDO,甚至包含DC-DC降压转换器,因此标准的独立型电源晶片方案已很难切入。

智慧型手机风行客制化PMU需求涌现

至于智慧型手机的电源管理,虽然也吹整合风,但并非为基频处理器所整并,而是朝向多功能电源管理单元(PMU)的方向发展。

陈春全分析,基频处理器整合电源管理功能虽可降低成本,但也因而牺牲了电源效率,这对注重效能与电池使用寿命的智慧型手机而言并不乐见,此时,专业的电源晶片设计公司便有一展长才的发挥空间,透过SubPMU的设计概念,可让电源效率提升至90%以上。这也是茂达未来重要的发展目标。

王钰钿也指出,电源管理对于系统软体而言,是一整套复杂的运算与管理机制,针对不同的使用环境,会有不同的规范。因此,随著手机功能不断推陈出新,新一代的PMU方案整合度已愈来愈高,并可支援更复杂的应用,例如整合LED背光驱动与调光机制、电池充电与电池管理、ClassD或ClassG音频放大器,以及高速输入/输出(I/O)所需的电源线驱动管理等功能。

不过,要在同一裸晶上实现各种功能,极易造成不同通道的LDO或是DC-DC电源相互干扰,所以当整合型的PMU在提供给不同需求的电源时,必须严防彼此干扰,特别在手机中,有很大比例都有高速I/O与无线通讯射频(RF)模组,这些高频部分需要很乾净的电源,因此,对PMU的杂讯抑制能力要求也相对来得严苛。值得注意的是,PMU方案的客制化程度极高,具有一定的进入门槛。由于目前手机市场主要仍由诺基亚(Nokia)、三星、摩托罗拉(Motorola)、索尼爱立信(SonyEricsson)和乐金(LG)等五大业者所主导,即便在智慧型手机市场已有苹果(Apple)、RIM与宏达电加入战局,但相对来说仍处于较封闭的状态,不若个人电脑与笔记型电脑群雄割据的局面。因此,陈春全认为,电源晶片业者若要投入PMU方案的开发并非易事,除须具备优异的研发实力外,要想取得与手机制造大厂合作的入门票,还得拥有坚强的财务后盾,方能赢得较长远的合作关系。此外,对无晶圆厂(Fabless)电源晶片业者而言,能否取得晶圆厂在制程技术上的支援,亦是不可或缺的要素。

其实,至目前为止,市场上有能力提供PMU方案的业者,大部分仍是手机应用处理器供应商,包括高通(Qualcomm)、德州仪器(TI)、博通(Broadcom)、飞思卡尔(Freescale)均已同时推出支援自家处理器方案的PMU;而凌力尔特(LinearTechnology)、美国国家半导体(NS)、Maxim等电源晶片大厂,由于与处理器业者合作密切,也相继推出支援特定厂商处理器的PMU方案。至于无晶圆厂电源晶片商则仅Dialog半导体的产品发展较为成功(表1)。

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Dialog半导体是总部位于德国的混合讯号电路设计公司,成立已有15年之久,最早系专注于互补金属氧化物半导体(CMOS)特定应用积体电路(ASIC)方案的开发,近年来逐渐扩大发展特定应用标准产品(ASSP),主要的晶圆代工夥伴为台积电,客户层以一级手机和行动装置制造大厂为主,如苹果iPhones3GS中即曾采用该公司PMU产品。

图5Dialog半导体行销总监MarkJacob强调,与客户间的合作关系是开发PMU方案的成功关键。

Dialog半导体行销总监MarkJacob(图5)透露,过去10多年的研发经验,让该公司累积不少矽智财(IP)资料库,同时也与晶圆厂和封测厂建立深厚的关系,因而有助其开发低成本、高效率的系统电源方案。此外,该公司也与许多手机处理器供应商合作密切,因而可提供满足各种应用处理器需求的PMU产品。

由此可知,对台湾无晶圆厂电源晶片设计业者而言,若想跻身手机大厂的PMU供应商之列,恐怕得先与处理器平台业者打好关系,才能在第一时间掌握处理器规格,以便成功开发出对应的PMU方案。

亚瑟莱特市场行销处资深经理王福基(图6)也指出,台湾电源晶片业者其实已具备PMU的研发能力,在晶圆厂制程支持方面也不成问题,然而,PMU产品须与处理器规格相互搭配,并遵循著韧体(Firmware)的系统电源管理逻辑进行设计才能发挥作用,而非只是将各种功能的电源方案整合在一颗晶片,因此能否取得相关设计资料便极为关键。

图6亚瑟莱特市场行销处资深经理王福基认为,善用自身优势,开发利基型产品,是在大厂林立的竞争环境中发展的重要策略。

事实上,到目前为止,台湾电源晶片业者仅在数位相机的PMU方案发展较为成功,主要原因在于相关产业链完整所致,包括立锜、圆创(已被致新购并)均有不错的成绩。另一个则是致新为联发科山寨手机平台开发PMU的成功案例,但随著联发科在新一代平台中进一步整合电源管理功能后,致新的PMU也就此功成身退。不过,令人期待的是,包括立锜与茂达均已积极展开智慧型手机PMU方案的布局,后势发展值得密切关注。

见缝插针台电源IC商瞄准利基方案

尽管PMU发展挑战重重,台湾电源晶片商并未就此放弃手机市场的布局,反而积极寻找能发挥自身产品及技术优势的电源管理需求,全力抢攻。

王钰钿认为,不同公司的强项不同,有的专长于DC-DC,有的专长于背光驱动,每家厂商应由自己的长处出发,再去延伸到不同的应用领域,这样才能将风险降至最低。盛群在电源管理晶片的发展策略也是如此,先从专长领域著手,将已经量产的个别IC功能尽量整合成单一方案,然后再加入更多的功能。目前,该公司已针对手机等行动装置萤幕的白光LED背光驱动推出一系列方案,并朝WLED驱动器整合DC-DC功能的方向迈进。

充电控制IC亦是台湾电源晶片商相当看好的新市场。尤其在中国大陆强制规范以微型通用序列汇流排(MicroUSB)作为手机充电器的统一介面后,台湾国家通讯传播委员会(NCC)日前也宣布将于2011年开始跟进实施,让手机USB充电设计出现新的需求。

陈春全指出,为了让电力由USB或直流转换器(ACAdapter)进入到手机时,不会造成损坏,充电控制IC必须耐压7~12伏特,而如此高的电压,基频处理器将无法整合,因而让充电控制IC拥有独立存在的发展空间。针对此一应用趋势,茂达也已推出一款针对单颗锂离子电池充电的控制IC,并具备过压保护(OVP)和温度调节功能,让充电速率得到最佳化的调整并避免IC过热。

此外,具有高电源杂讯抑制(PowerSupplyRippleRejection,PSRR)能力的LDO亦是业者另一个发展焦点。王福基表示,手机中的蓝牙(Bluetooth)与无线区域网路(Wi-Fi)等射频电路极易因电源杂讯过大而造成误动作或影响接收效能,因而需要较高PSRR的电源方案。一般市场上的要求是当工作频率在1kHz时,抗杂讯的能力至少要达到70dB,而亚瑟莱特则已利用互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程开发出可高达85dB的方案,足以媲美日系电源大厂的同级方案。

除智慧型手机外,平板装置和电子书阅读器也备受市场关注,然而,尽管已有不少国际大厂率先推出相关产品,但由于市场动向仍不明朗,不少电源晶片业者虽兴致勃勃,但多半是以现有方案进行推广,并未特别开发专属的产品。

平板/E-reader规格未明电源IC业者静观其变

陈春全观察,目前平板装置依使用的电池单元(Cell)来进行划分,若仅使用一个电池单元的产品设计,一般会归类于消费性电子产品,若使用两颗电池单元进行设计,则划分至个人电脑相关产品;前者的电源管理设计架构,基本上沿用智慧型手机的电源架构,所以会选择效率最高的电源方案,而后者则与笔记型电脑的电源架构相仿。

值此平板装置市场方兴未艾之际,陈春全认为,对标准型的电源管理晶片而言,仍是大有可为,一旦市场更趋成熟,消费性平板装置的电源晶片势将再度步上智慧型手机PMU的发展后尘。

至于电子书阅读器的显示器电源方案,由于须对元太EInk电子纸显示特性相当熟悉,因此发展门槛较高,目前系以德州仪器等国外业者为主要供应商;至于其他系统电源部分则仍有台湾业者发挥的机会。

不过,王福基认为,不论平板装置或电子书阅读器均是较针对特定族群所开发的产品,不若笔记型电脑和智慧型手机规模庞大,再加上其市场正处于萌芽阶段,电源晶片业者不宜过度押宝投入,利用现有产品组合寻求适合发挥空间,不失为弹性做法。

为满足消费者长时间使用的需求,行动装置电源管理重要性已益发突显,尤其在各种行动装置产品充斥市场的环境下,电池寿命更成为消费者选购的首要指标。这对电源管理晶片业者而言,不啻是大展身手的良机。然而,面对各个行动装置应用市场不同的发展情势,电源晶片商唯有善用自身优势并展现灵活、创新的产品研发能力,才能在强敌环伺中,占有一席之地。

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